摘 要:為兼顧可靠性和經(jīng)濟性,對高揚程、多起伏輸水管道停泵水錘防護設備參數(shù)進行優(yōu)化,構建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模擬水力過渡過程,以空氣閥和單向調壓塔參數(shù)為決策變量,協(xié)同多目標遺傳算法(NSGA-Ⅱ)進行優(yōu)化得到Pareto 最優(yōu)解集,采用熵權-TOPSIS 法進行決策確定最佳方案。將該方法應用于工程實例,結果表明,相比初始方案,優(yōu)化方案以低于92.06%的單向調壓塔容積提供相近的正壓防護效果,管道沿線最低負壓提升49.28%,與無防護措施相比,在滿足管材耐壓能力的同時,管道沿線最大、最小壓力與屈服能力上、下限的最大差距分別減?。福矗埃玻ズ停叮担埃埃ァT摲椒蓪崿F(xiàn)停泵水錘防護計算與智能優(yōu)化算法有效鏈接,確定可靠且經(jīng)濟的停泵水錘防護設備參數(shù)。
關鍵詞:高揚程多起伏;輸水管道;停泵水錘;BP 神經(jīng)網(wǎng)絡;NSGA-Ⅱ;熵權-TOPSIS 法
中圖分類號:TV134; TU991 文獻標志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2024.11.025
引用格式:張瑜,李紅艷,崔建國,等.高揚程多起伏輸水管道停泵水錘防護優(yōu)化[J].人民黃河,2024,46(11):155-160.
隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化水平提高,高揚程、多起伏輸水系統(tǒng)逐年增多,其結構復雜,突然斷電極易發(fā)生危害嚴重的水錘事故[1-3] ,通常采用多種設備進行聯(lián)合防護,優(yōu)化參數(shù)較多。空氣閥和單向調壓塔作為簡單有效的水錘防護措施,在工程中得到大量應用,而目前對空氣閥口徑的選取及單向調壓塔參數(shù)的確定具有盲目性,因此優(yōu)化水錘防護參數(shù)具有重要意義。
目前國內外學者對停泵水錘防護優(yōu)化的研究普遍基于特征線法,徐放等[4] 采用梯度法研究緩閉式空氣閥孔口面積比對停泵水錘的防護效果,發(fā)現(xiàn)該值并不是越小越好;林琦等[5] 根據(jù)經(jīng)驗確定空氣閥和單向調壓塔參數(shù),雖能取得較好的停泵水錘防護效果,但可能會增大工程投資;李楠等[6] 對不同體積的空氣罐進行停泵水錘防護計算,得出增大空氣罐體積有利于水錘正壓防護; 劉亞萌等[7] 采用多目標粒子群算法(MOPSO)優(yōu)化單向調壓塔尺寸及泵出口閥門關閉規(guī)則,表明該算法能有效應用于水錘防護優(yōu)化。
綜上所述,雖然停泵水錘防護參數(shù)優(yōu)化的研究已有了相關成果,但是通常采用經(jīng)驗法、梯度法和編寫水錘模擬程序進行優(yōu)化時計算量大、耗費時間多、擬合度低、難以找到最優(yōu)設計或未考慮工程投資。本研究嘗試構建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡代替水力計算軟件進行停泵水錘防護預測,在MATLAB 軟件中鏈接NSGA-Ⅱ算法,克服水力計算軟件無法與智能優(yōu)化算法鏈接的弊端,兼顧防護可靠性和經(jīng)濟性進行優(yōu)化,經(jīng)熵權-TOPSIS 法進行多目標決策,確定安全可靠且經(jīng)濟高效的空氣閥和單向調壓塔參數(shù)。
1 研究方法
1.1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡停泵水錘防護預測模型
1.1.1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡原理
BP 神經(jīng)網(wǎng)絡最早由Rumelhart 等提出[8] ,該算法可通過逆向傳播誤差對模型進行自動優(yōu)化,訓練非線性輸出模型。目前BP 神經(jīng)網(wǎng)絡已廣泛應用于防洪系統(tǒng)設計、配水系統(tǒng)設計、水質預測及控制處理等領域,而在停泵水錘防護預測方面的應用較少。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模型的拓撲結構由輸入層、隱含層、輸出層組成[9] ,工作過程包括前向傳遞信息和逆向傳遞誤差兩部分,反復訓練迭代直到滿足要求,具體計算流程如圖1所示。
1.1.2 構建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡
本研究選取3 層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(即單隱含層)進行停泵水錘防護預測,采用空氣閥和單向調壓塔對停泵水錘進行聯(lián)合防護,選取影響停泵水錘防護效果的參數(shù):空氣閥進氣口直徑D1、排氣口直徑D2、單向調壓塔的安裝位置P、補水管直徑D3、塔體直徑D4、初始水位H。為提高停泵水錘防護效果,引入輸水管道耐壓能力和屈服能力,取值區(qū)間表示為
T1 =[n1,n2] (1)
T2 =[n3,n4] (2)
式中:T1、T2分別為輸水管道耐壓能力和屈服能力,n1、n2分別為耐壓能力下限和上限,n3、n4分別為屈服能力下限和上限。
在停泵工況下,有壓輸水管道最大、最小壓力越接近屈服能力,表明停泵水錘防護效果越好、可靠性越高。取可以分別表示正壓、負壓防護效果的指標A、B作為輸出層神經(jīng)元,其數(shù)學表達式分別為
A =max [Hmax(i)-n4] (3)
B =min [Hmin(i)-n3] (4)
式中:Hmax(i)、Hmin(i)分別為輸水管道各節(jié)點的最大壓力、最小壓力。
隱含層神經(jīng)元個數(shù)[10] 對神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練具有重要的作用,本研究其大致范圍由式(5)確定為4~13,分別取值進行模型訓練,記錄均方根誤差ERMS,取使ERMS最小時的隱含層神經(jīng)元個數(shù)(記為G)。該BP 神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲結構如圖2 所示,其中:ωij 、ωjk分別為輸入層和隱含層、隱含層和輸出層的連接權重,aj和bk分別為隱含層和輸出層的閾值。
式中:G、I、K 分別為隱含層、輸入層、輸出層神經(jīng)元個數(shù),α 為1~10 之間的整數(shù)。
1.1.3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練和驗證
采用HAMMER 水錘軟件,基于特征線法對若干組不同空氣閥和單向調壓塔聯(lián)合防護停泵水錘的方案進行水力計算。將得到的數(shù)據(jù)劃分為訓練集、驗證集和測試集,按照前文所述方法確定隱含層節(jié)點數(shù),利用MATLAB 神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱實現(xiàn)模型的訓練。為分析模型性能,評估預測精度,分別對訓練集、驗證集、測試集和所有樣本數(shù)據(jù)集進行仿真擬合,取相關系數(shù)R 及均方根誤差ERMS作為評價模型預測性能的指標,計算公式為
式中:xi 和yi 分別為第i 個樣本的真實值和預測值,x和y 分別為真實值和預測值的均值,n 為樣本數(shù)。
1.2 停泵水錘防護優(yōu)化模型
1.2.1 NSGA-Ⅱ算法求解模型
NSGA-Ⅱ算法[11] 相比NSGA 算法引入快速非支配排序及精英保留策略,具有運行速度快、收斂性好等優(yōu)點。本研究通過在MATLAB 軟件中使用PLATEMO3.4 平臺實現(xiàn)NSGA-Ⅱ算法的調用,選取空氣閥進氣口直徑D1、排氣口直徑D2 及單向調壓塔位置P、補水管直徑D3、塔體直徑D4、初始水位H 為決策變量,采用整數(shù)編碼方式,用正整數(shù)代替可以更換的單向調壓塔位置P,其余各決策變量均用實際值代替。例如某個解為x ={50,5,1,150,4,6},表示選取的空氣閥參數(shù)為:進氣口直徑50 mm,排氣口直徑5 mm,單向調壓塔布置于第1 個備選位置,補水管直徑150 mm,塔體直徑4 m,初始水位6 m。
1.2.2 目標函數(shù)及約束條件
同時考慮可靠性和經(jīng)濟性進行停泵水錘防護優(yōu)化。目前國內外研究者常用輸水管道耐壓能力來評價停泵水錘防護效果。本研究以輸水管道屈服能力為基礎,使其最大限度地滿足要求,即在輸水管道沿線最大壓力、最小壓力位于耐壓能力范圍的前提下,使管道沿線最大壓力和最小壓力趨近于屈服能力。該目標可在提高管道安全保證率的同時,延長管道使用年限,降低工程投資??諝忾y的成本比單向調壓塔的成本低3~4個數(shù)量級,故主要考慮單向調壓塔造價,且其成本一般隨容積增大而升高[12] ,據(jù)此共同建立目標函數(shù):
在優(yōu)化過程中,輸水管道各節(jié)點的最大壓力、最小壓力應在耐壓能力區(qū)間內;取空氣閥進氣口直徑為主管道直徑的1/10~1/5,其余各決策變量均應在規(guī)定范圍內,約束條件為
式中:Dpipe 為主管道直徑,D2max、D2min 為空氣閥排氣口直徑的最大、最小值,Pmax 為單向調壓塔的備選位置個數(shù),D3max、D3min為單向調壓塔補水管直徑的最大、最小值,D4max、D4min 為單向調壓塔直徑的最大、最小值,Hmax、Hmin為單向調壓塔初始水位的最大、最小值。
1.3 多目標決策
采用熵權-TOPSIS 法對Pareto 最優(yōu)解集進行排序,其基本思想[13-14] 是根據(jù)信息熵理論對各評價指標賦予權重,避免其選取的主觀性,檢測每個評價對象與正理想解的接近程度,接近程度越高則該評價對象越優(yōu)。具體求解步驟如下。
1)根據(jù)求得的Pareto 最優(yōu)解集,構建n 個Pareto最優(yōu)解、m 個評價指標的初始矩陣X,由目標函數(shù)個數(shù)知m =3,故X 為一個n×3 的矩陣:
式中:xi 1、xi 2、xi 3分別為第i 個Pareto 最優(yōu)解對應的目標函數(shù)f1、f2、f3的值。
2)將初始矩陣X 正向化和標準化。將3 個極小型指標轉化為極大型指標,再進行標準化處理,得到新的矩陣Z:
式中: pij = zij / Σni = 1zij ,如果pij = 0,則定義lim pij→0(pij ·ln pij )= 0。
4)確定各指標權重wj :
式中:Di +、Di -分別為第i 個Pareto 最優(yōu)解到正理想解、負理想解的Euclid 距離。
7)計算每個Pareto 最優(yōu)解的得分(與正理想解的接近程度),得分最高的方案即綜合效益最優(yōu)的停泵水錘防護方案,評分公式為
Si = D-i/D+i +D-i (20)
式中:Si為第i 個Pareto 最優(yōu)解的得分。
2 工程案例
2.1 工程概況
西南地區(qū)某高揚程、多起伏集中供水工程[15] ,水從上游水庫通過加壓泵站泵送至高差107 m 的高位水池,輸水管道總長5 500 m,管徑和壁厚分別為400 mm 和8.1 mm,水泵型號為GISO125-100-315(采取“一用一備”),泵站設計流量Q =368 m3 / h,額定揚程為128 m,水泵轉速n=2 900 r/ min,轉動慣量J =1.849 kg·m2,泵后設止回閥,沿線高程如圖3 所示(J-1~J-24 為節(jié)點編號)。
2.2 無防護停泵水錘數(shù)值分析
泵站機組正常運行時,在水泵出口處有最大壓力水頭115.6 m;突然斷電或其他原因導致事故停泵時,水錘計算結果如圖4 所示。泵出口節(jié)點最大壓力水頭達到251.8 m,達到該點正常運行壓力水頭的2.2 倍,遠超過《泵站設計標準》(GB 50265—2022)要求的1.5倍;在此工況下,輸水管道沿線的最小壓力水頭包絡線幾乎位于管道高程線以下,且大部分管線最小相對壓力水頭達到汽化壓力水頭值,即-10.0 m。
該工程輸水管道耐壓能力區(qū)間和屈服能力區(qū)間分別為
T1 =[-5,200] (21)
T2 =[0,max (1.5 hxi ,60)] (22)
式中:hxi為第i 個節(jié)點穩(wěn)態(tài)工作時的壓力水頭。
由式(20)可知,該輸水管道屈服能力上限為穩(wěn)態(tài)工作壓力水頭的1.5 倍,但不得低于60 m。經(jīng)過計算,管道沿線最大壓力超出屈服能力上限的最大值位于節(jié)點J-12 處,該節(jié)點穩(wěn)態(tài)工作壓力水頭為46.10 m,管道屈服能力上限為69.15 m,停泵工況下最大壓力水頭為181.50 m,雖低于管道耐壓能力,但超出該節(jié)點屈服能力上限(112.35 m),管道極易發(fā)生破壞。同時,由于該加壓流輸水工程管線沿程起伏較大,存在多個“膝部”,因此發(fā)生事故停泵時極易發(fā)生斷流彌合水錘,為提高正、負壓保護的要求,保證管道輸水效率,采取高效經(jīng)濟且可靠的防護措施對管網(wǎng)安全運行至關重要。
2.3 構建停泵水錘防護預測模型
基于規(guī)范要求及管線負壓狀況,布設空氣閥,取高起伏處節(jié)點J-2、J-3、J-4、J-6、J-8、J-10、J-12、J-16、J-17、J-19、J-22、J-24 為單向調壓塔的備選位置。對620 組不同空氣閥和單向調壓塔的停泵水錘防護組合進行水力計算。劃分訓練集558 組,驗證集和測試集各31 組,取隱含層節(jié)點個數(shù)G 在有效范圍內,進行模型訓練,得到10 組訓練結果。當隱含層節(jié)點個數(shù)G =12 時,BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的均方誤差最小、精度最高,故確定隱含層神經(jīng)元個數(shù)為12;驗證集在迭代計算第56代時達到最佳性能,均方誤差最小,故各數(shù)據(jù)集在56代后趨于穩(wěn)定。對各集合進行仿真擬合,效果如圖5所示。訓練集模型輸出與實際輸出的相關系數(shù)為0.997 5,均方誤差為1.667 5;利用訓練好的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡對未經(jīng)學習的樣本進行停泵水錘防護預測,驗證集模型輸出與實際輸出的相關系數(shù)為0.997 3,均方誤差為1.744 7;測試集模型輸出與實際輸出的相關系數(shù)為0.997 6,均方誤差為1.577 2。該模型對所有樣本的擬合相關系數(shù)為0.997 5,鑒于停泵水錘復雜的水力過渡過程,該BP 神經(jīng)網(wǎng)絡已能達到較好的預測水平,模型訓練結果較為理想。
2.4 停泵水錘防護優(yōu)化
將NSGA-Ⅱ算法的個體定義為不同空氣閥和單向調壓塔的組合方案,設置種群個數(shù)為100,最大評價次數(shù)為10 000,采用模擬二進制交叉與多項式變異來產(chǎn)生子代,交叉概率設為1,變異概率設為1/ M(M 為決策變量維數(shù),本研究M =6),交叉分布指數(shù)與變異分布指數(shù)均設為20,經(jīng)優(yōu)化計算得到Pareto 最優(yōu)解集。編寫熵權-TOPSIS 法計算程序讀?。校幔颍澹簦?最優(yōu)解集數(shù)據(jù),得到3個指標的權重分別為0.425 9、0.335 1、0.239 0,正壓防護效果指標所占權重最大,原因是Pareto 最優(yōu)解集所對應的停泵水錘組合方案正壓波動較大,而單向調壓塔容積波動較小,將最終所得空氣閥和單項調壓塔參數(shù)作為優(yōu)化方案。參考相關學者[15] 的研究,利用梯度法取值,考慮正壓、負壓防護效果對該輸水管道布置空氣閥和單向調壓塔進行聯(lián)合防護,作為初始方案,兩方案具體參數(shù)見表2,管道沿線壓力變化對比如圖6 所示。
由表2 可知,優(yōu)化方案空氣閥進氣口徑略大于初始方案,排氣口徑均較小,驗證了在大量進氣的同時,也要避免排氣過快引發(fā)不利影響。結合圖6,兩方案單向調壓塔位置均位于節(jié)點J-8 處,該位置距泵出口1.63 km,屬起伏高處,布置單向調壓塔對停泵水錘引起的過高正壓、過低負壓起到明顯改善作用。對于正壓而言,在停泵工況下,初始方案和優(yōu)化方案全線的最大水錘壓力均低于管道耐壓能力,在泵出口節(jié)點J-1處分別有最大相對壓力水頭165.4 m 和166.3 m,均接近該點正常運行壓力水頭的1.40 倍,相比停泵工況無防護措施,全線最大壓力水頭分別降低了34.31%和33.96%,同時全線正壓水頭超出屈服能力上限的最大值分別為16.95 m 和17.95 m,正壓防護效果相近。對于負壓而言,初始方案管路沿線最低負壓水頭為-6.9 m,低于管道耐壓能力下限,優(yōu)化方案管路沿線最低負壓水頭為-3.5 m,較初始方案提升49.28%,負壓防護效果得到明顯提升。相比停泵工況無防護措施,管道沿線最大、最小水錘壓力與屈服能力的最大差距分別減?。福矗埃玻ズ停叮担埃埃?,大幅度降低了管道發(fā)生滲漏、變形等破壞的風險。另外,初始方案單向調壓塔有效容積為157.08 m3,而經(jīng)優(yōu)化得到的單向調壓塔有效容積為12.47 m3,較初始方案減?。梗玻埃叮?,原因是在利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模擬停泵水錘水力過渡的過程中,模型自動考慮空氣閥和單向調壓塔防護之間的交互影響,決策出最佳的單向調壓塔尺寸,起到高效防護的同時,減少多余投資,保證經(jīng)濟性。
3 結論
本研究提出了一種優(yōu)化高揚程、多起伏輸水管道停泵水錘防護設備參數(shù)的新方法,基于工程實例研究表明:結合輸水管道耐壓能力和屈服能力進行優(yōu)化,可提高停泵水錘防護可靠性,保證管道輸水效率;在高揚程、多起伏輸水管道中,單向調壓塔位于距離泵出口較近、地形起伏較大處有較好的防護效果;利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡、NSGA-Ⅱ和熵權-TOPSIS 法優(yōu)化空氣閥和單向調壓塔參數(shù),可克服傳統(tǒng)方法的弊端,在較短的時間內確定最佳方案,且優(yōu)化方案在提高防護效果的同時降低防護成本,為該類輸水管道停泵水錘防護多參數(shù)優(yōu)化提供了新思路。
參考文獻:
[1] MOGHADDAS M J S.The Steady?Transient Optimization of"Water Transmission Pipelines with Consideration of Water?Hammer Control Devices: A Case Study [ J]. Journal of"Water Supply Research and Technology?AQUA, 2018, 67(6):556-565.
[2] 王彥祥,顏炳魁,田穎玲,等.長距離輸水管線停泵水錘分析及防護[J].中國給水排水,2019,35(7):57-61.
[3] MA Jun,WU Jiande,WANG Xiaodong.Simulation of Compu?tation and Experimental Investigations About Water Hammer"in High Lift Water Transmission Pipeline[C] // Proceedings of 2015 International Conference on Advances in Mechanical"Engineering and Industrial Informatics(AMEII 2015). [s.l.]:Atlantis Press,2015:333-338.
[4] 徐放,李志鵬,李豪,等.緩閉式空氣閥口徑和孔口面積比對停泵水錘防護的影響[J].流體機械,2018,46(3):28-33.
[5] 林琦,劉志勇,劉梅清,等.長管道輸水系統(tǒng)停泵水力過渡過程分析與防護[J].中國農村水利水電,2011(2):139-141.
[6] 李楠,張健,石林,等.空氣罐與超壓泄壓閥聯(lián)合水錘防護特性[J].排灌機械工程學報,2020,38(3):254-260.
[7] 劉亞萌,蔣勁,李婷,等.基于多目標粒子群算法的停泵水錘防護優(yōu)化[J].中國農村水利水電,2017(6):162-167.
[8] 崔海,余鑫磊,龐繼偉,等.采用BP-ANN 和改進SVR 的進水BOD 軟測量模型[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2022,54(2):59-66.
[9] SUN Yuanqiang,CHEN Jianping,YAN Pengbing,et al.Li?thology Identification of Uranium?Bearing Sand Bodies Using"Logging Data Based on a BP Neural Network[J].Minerals,2022,12(5):546-546.
[10] 方榮業(yè),史宇濱,蔣婷,等.基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的城鎮(zhèn)污水廠活性炭自動投加系統(tǒng)研究[J].浙江大學學報(理學版),2018,45(4):468-475.
[11] LI Qing,WANG Xiuying,ZHANG Xiaofeng.A Scheduling"Method Based on NSGA2 for Steelmaking and Continuous"Casting Production Process[J].IFAC?PapersOnLine,2018,51(18):174-179.
[12] 劉梅清,劉志勇,蔣勁.基于遺傳算法的單向調壓塔尺寸優(yōu)化研究[J].中國給水排水,2008,24(23):56-60.
[13] 周永廣,溫俊杰,陳鼎文.基于信息熵權TOPSIS 法的步行商業(yè)街業(yè)態(tài)競爭力及布局研究:以杭州市兩條步行商業(yè)街為實證案例[J].浙江大學學報(理學版),2012,39(6):724-732.
[14] 黃利華,趙曉華,李洋,等.城市快速路小間距路段出口預告標志優(yōu)化設置[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2020,52(3):121-128.
[15] 胡弈超.高揚程、多起伏輸水系統(tǒng)水錘風險及防護措施研究[D].重慶:重慶大學,2019:49-51,109-125.
【責任編輯 張華巖】
基金項目:山西省重點研發(fā)計劃項目(社會發(fā)展領域)(201803D31046);呂梁市引進高層次科技人才重點研發(fā)項目(2021RC-1-22);山西省研究生教育創(chuàng)新項目(2022Y252)